一种镍铁类水滑石电催化剂及其制备方法

本发明涉及复合催化剂的，具体涉及一种镍铁类滑石电催化剂及其制备方法。

背景技术：

1、在诸多能源载体中，氢气具有能量密度高且其燃烧产物为水等诸多优点，被认为是最具可持续性和清洁性的能源载体之一，其发展对我国实现“双碳”目标尤为重要，而如何实现高效廉价的氢气制备是氢能产业的一个重大技术难题。电解水通过与可再生能源（如风能和太阳能）的耦合利用，具有高效制氢的潜力。

2、现阶段，主流的电解水制氢方式以碱性电解水（alk）、质子交换膜电解水（pem）和阴离子交换膜（aem）为主。其中alk电解槽的体积较大，能量利用率较低，且可能导致气体混合，而pem电解槽依赖例如铂等贵金属催化剂，具有较高的成本。aem因其能够使用非贵金属催化剂与具有更低的氢气渗透性，同时具有alk和pem技术的优点，有望通过其进一步的发展，降低电解水制氢成本，有助于电解水的大规模商业应用。然而，受限于阳极较慢的动力学所导致的高过电势和催化剂生长依赖泡沫镍等模板所导致的量产困难等问题，aem的商业化应用进展缓慢。

3、为提高催化剂的性能与产量，降低电解水制氢的能耗和成本，加速aem的商业化进程，需对非贵金属基催化剂的合成进行合理设计。在诸多非贵金属基催化剂中，镍铁类水滑石即镍铁层状双氢氧化物（nife-ldh），由于其具有独特的层状结构和物理化学性质，在应用于电催化剂中时表现出优异的催化性能，被认为是碱性介质中最佳的阳极析氧反应（oer） 催化剂之一。nife-ldh有多种合成方法，其中，电沉积法对金属盐前驱体的种类和溶液的液体环境的要求较为严苛，固相反应法有设备复杂、需要较高温度和不能精准调控催化剂形貌尺寸等缺点，水热合成法的合成步骤简单方便，是一种常用的nife-ldh合成选择。

4、现已有许多专利报道了利用水热法合成nife-ldh电催化剂的方法，如公开号为cn108722437a的发明专利公开了一种镍铁复合催化剂的制备方法及镍铁复合催化剂，通过在泡沫镍表面进行一系列的处理和修饰，以改变催化剂的催化性能和稳定性；又如，公开号为cn111871421a的专利，通过水热反应在泡沫镍表面原位生长nifemo-ldh，为电催化反应提供活性位点；以及，公开号为cn109652822a的专利，通过牺牲nife-ldh纳米阵列模板，设计合成一种金属原子掺杂的高度规则排列的层状结构金属有机框架材料纳米阵列水氧化电催化剂以大幅提高电催化性能。

5、由于nife-ldh电催化剂的电子结构和导电性较差限制了oer活性，上述专利所提供的制备方法从缺陷控制、界面工程等多方面出发，以提高nife-ldh的反应活性和稳定性。然而，上述nife-ldh电催化剂均生长在泡沫镍等导电基底上，在导电基底上生长的催化剂虽然一定程度的提高了反应活性，却难以生长均匀，不适宜进行大规模的生产批量制备。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种镍铁类水滑石电催化剂及其制备方法，所述制备方法不依赖泡沫镍等生长模板，且工艺简单，具备较高的实用价值，适用于大规模的批量合成，通过所述制备方法得到的镍铁类水滑石电催化剂具有优秀的催化性能和稳定性。

2、为实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供了一种镍铁类水滑石电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、s1.将镍前驱体与铁前驱体溶于溶剂中，得到第一溶液；

5、s2.将高价过渡金属盐溶于溶剂中，得到第二溶液；

6、s3.将所述第一溶液与所述第二溶液混合，并均匀分散，得到第一悬浊液；

7、s4.对所述第一悬浊液进行水热反应，得到第二悬浊液；

8、s5.将所述第二悬浊液洗涤离心，得到催化剂前驱体；

9、s6.将所述催化剂前驱体完全干燥后，研磨成粉末，得到所述镍铁类水滑石电催化剂；

10、其中，高价过渡金属离子为价态不低于正三价的金属离子。

11、在本发明中，高价过渡金属元素的掺杂能够调节催化剂的电子云密度分布，诱导催化剂表面生成大量氧空位，得益于此种结构的变化，催化剂的析氧反应动力学获得显著提升。并且，本申请摈弃了泡沫镍等生长模板的使用，通过流程简单、工艺方便的一步水热法实现催化剂的快速制备，适用于大规模的批量合成。

12、优选地，在步骤s1中，镍前驱体包括硝酸镍、氯化镍、硫酸镍中的一种或几种。

13、优选地，在步骤s1中，铁前驱体包括硝酸铁、氯化铁、硫酸铁中的一种或几种。

14、优选地，在步骤s1中，镍与铁的摩尔比例为(1-5):1，进一步优选为3:1。

15、优选地，在步骤s2中，高价过渡金属盐包括钼盐、钨盐、铬盐中的一种或几种，为提高催化剂的催化性能，进一步优选为钼盐。其中，钼盐可以是钼酸铵和钼酸钠中的一种或几种，钨盐可以是钨酸铵和钨酸钠中的一种或几种，铬盐可以是硝酸铬、氯化铬和硫酸铬中的一种或几种。

16、优选地，在步骤s2中，高价过渡金属与铁的摩尔比例为(0.05-1):1。

17、优选地，在步骤s3中，在第一溶液与第二溶液混合后，加入中和剂调节ph。

18、优选地，在步骤s4中，水热反应的条件包括加热温度为100-150℃，加热的时间为6-24h，升温速率为3-5℃/min。

19、优选地，在步骤s5中，干燥的条件包括干燥温度为50-80 ℃，干燥的时间为12-24h。

20、第二方面，本发明还提供了一种镍铁类水滑石电催化剂，其由上述方法制备得到。

21、本发明的有益效果在于：

22、1.本申请中，通过一步水热法实现nife-ldh催化剂的制备，该合成方法简单快速，一次可以合成10g以上的催化剂产品，适用于工业化的大规模批量生产。

23、2.本申请中，通过引入高价过渡金属掺杂，并且摈弃泡沫镍等生长模板的使用，在避免了导电基底降低反应效率的基础上，优化了催化剂的电子结构，增强了电化学活性面积，进一步提升了催化剂的析氧催化反应性能，并在析氧反应过程中展现较好的稳定性。

技术特征：

1.一种镍铁类水滑石电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的镍铁类水滑石电催化剂的制备方法，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的镍铁类水滑石电催化剂的制备方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的镍铁类水滑石电催化剂的制备方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的镍铁类水滑石电催化剂的制备方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的镍铁类水滑石电催化剂的制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的镍铁类水滑石电催化剂的制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求5所述的镍铁类水滑石电催化剂的制备方法，其特征在于，

9.根据权利要求5所述的镍铁类水滑石电催化剂的制备方法，其特征在于，

10.一种镍铁类水滑石电催化剂，其特征在于，

技术总结
本发明涉及复合催化剂的技术领域，具体涉及一种镍铁类滑石电催化剂及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：将镍前驱体与铁前驱体溶于溶剂中，得到第一溶液；将高价过渡金属盐溶于溶剂中，得到第二溶液；将所述第一溶液与所述第二溶液混合，并均匀分散，得到第一悬浊液；对所述第一悬浊液进行水热反应，得到第二悬浊液；将所述第二悬浊液洗涤离心，得到催化剂前驱体；将所述催化剂前驱体完全干燥后，研磨成粉末，得到所述镍铁类水滑石电催化剂。本发明不依赖泡沫镍等生长模板，且工艺简单，具备较高的实用价值，适用于大规模的批量合成，通过所述制备方法得到的镍铁类水滑石电催化剂具有优秀的催化性能和稳定性。

技术研发人员：邢巍,汪刘庆,祝建兵,肖梅玲,刘长鹏,孟庆磊,李金晟,杨迪
受保护的技术使用者：中国科学院长春应用化学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10